非常不错的**--高精度测量微小信号的方法

1万 · 2011-7-26 23:30

本帖最后由 Go_PSoC 于 2011-7-26 23:33 编辑

高精度测量微小信号的方法
在今天的嵌入式系统的应用中，只要数据从一个接口设备读出，那么某个地方的模拟信号的数据处理通道也会相应变化。例如或许可能是因为触摸引起面板上电容的变化，从而导致触摸接口检测到电流变化。对于工业应用，有可能需要通过检测电压(热偶或传感器电阻变化所引起)来控制温度、或者通过检测金属状态(磁场或感应系数变化所引起)来检测电动势。这些例子都是基于同一原理，即可以通过不同的电气性能(如传感器的电阻，电感，电容)来检测/测量电气参数的变化。

随着设计变得越来越复杂——因为需要减小尺寸且增加集成度，所以对电器参数的最小测量能力也要求越来越高。因此，一个系统不仅要测量信号，更要保持它的精确度。本文将探讨如何保证一种微小模拟信号的精度。以称重系统为例，重量改变时整个测量范围引起的电流或电压改变只有几mV或几mA。

在称重系统中，会检测被测物体受到的拉伸力和压缩力。依据检测拉伸和压缩的不同材料，称重系统的类型也不同，比如气磅(测量空气压缩量)、弹簧秤(通过弹簧的拉伸确定重量)、或拉力计(根据金属变形量计量重量)等等。拉力计是目前应用最广泛的称重类型，所以我们在这篇文章里将讨论这种设计。

拉力计
在介绍拉力计实现方式之前，我们先讨论一下理想的拉力计以及他们是如何形成一个称重系统中的负载单元的。

正如其名，拉力计用于测量目标物体拉伸量的。它的工作原理是源于材料的物理性质，当其在特定范围内被拉伸或压缩，其电阻会有变化。因此，可以通过测量电阻值变化来确定压力。

温度变化对拉力计有很严重的影响，这是因为材料的热膨胀改变了它的电阻。由于温度引起的电阻变化将会导致拉力测量误差。

通过在惠斯通电桥每一个臂上放置类似材料的刻度变化，可以很容易地补偿温度变化的值。在这种设计中，温度对桥的所有臂都会有类似的影响(从而抵消电阻值变化)，从而提供了自我行温度补偿。然而，拉力计设计成惠斯通电桥方式的主要缺点就是零偏移。这发生在当仪表的一边没有正确安装的或者已经变形时。这可以采用分流电阻来解决，以便平衡桥的每一边。然而，平衡桥的做法在拉力计实际应用中是不现实的，因为它容易老化。

测力仪
测力仪是拉力计的一种，它是专门测重量的。在测力仪中，应变片连接成惠斯通电桥形式，如图1所示。

图1:应变片桥。

测力仪可以按照应变片分布分类：

全桥--在这种类型的测力仪中，桥中所有的臂都用了应变片。因为这个桥的所有臂都是活动的，当拉伸时他们提供最高的输出。这种类型的桥是最不容易受噪声影响的，因为噪声会作用到所有的四个臂，他们互相抵消了。全桥的另一个重要优点就是，在温度补偿方面它性能最高。

半桥--这种测力仪只用了两个应变片，连接在相对的臂。因为不是所有的臂都是活动的，当与全桥有相同数量应变片时，信号的变化只有一半。当温度变化时，半桥的性能是不精确的，因为连接到另两个臂的电阻的温度系数不同。同时，固定设备的限制可能会阻止电阻连接到应变片安装的同样的地方，因此，应变片和电阻之间的温度差异又导致了额外的误差。

四分之一桥--这是三种类型里最低成本的桥。然而，产生压力时它产生的信号最小，所以，在这种系统中噪声是一个潜在的问题。除了这些误差，半桥所产生的所有的误差在四分之一桥里都会遇到。

在大多数称重应用中，使用了全有效或全桥结构。在这种类型的结构中，信号的满刻度变化只有几毫伏。因此，底层硬件的效率决定了精确测量的改变。下面的章节将会介绍为了达到精确测量信号的变化，传统方法和现今方法的改进。

1万 · 2011-7-26 23:34

本帖最后由 Go_PSoC 于 2011-7-26 23:36 编辑

传统方法
在传统的方法中，应变片排列成桥模式，输出端电压可测量。图2显示了一个典型的应变片构成桥的方式，以及他们的驱动和测量电路。

图2：应变片桥测量电路.

当桥受到压力时，应变片会受到拉伸或压缩。电阻变化的大小和应变片的变型量成正比。根据激励电压，信号可以由输出端测量(见方程1)。

方程1
然而，如上所述，惠斯通电桥中的应变片面临零偏移的问题，并且偏移随时间改变。这使得使用分流电阻成为无效的技术，这是因为需要增加成本来维护桥。

这个问题可以通过使用一个简单的单片机来解决，可以在固件里纠正偏移。当测力仪没有负载时，获得的信号可以视为偏移，然后在后来ADC取得的每个数据加上或是减去这个值。通过向用户提供一个"自动更正"开关，老化问题也可以很容易处理。每当这个开关按下时，ADC输出可视为偏移。

传统方法所面临的其他问题包括：
用于桥激励的电压源通常距离较远。因此，用于连接电压源和桥输入终端走线的电阻也会给系统带来误差。
因为应变片的输出信号比较微弱，所以要么需要高精度模数转换器，要么需要在通过ADC前放大信号。但直流信号使用放大器会带来额外的增益误差和偏移误差问题。
使用高分辨率ADC或低偏移低增益误差放大器也会增加整个系统的成本。

1万 · 2011-7-26 23:38

本帖最后由 Go_PSoC 于 2011-7-26 23:51 编辑

改进方法
随着片上系统(SoC)的发展，复杂系统的问题可以在单个片上系统内部解决。这些片上系统内部集成了很多模拟器件，如PGA、仪表放大器、ADC、电流或电压源以及更多的其它组件。这使得系统设计简单，可快速上市，它能适应市场需求而随时变化。有好几种方法可以用来测量精确信号，纠正传统方法所面临的问题。

CDS方法：这个方法可用来精确测量非常低电平的信号。它自动地纠正PGA产生的偏移和系统产生的热噪声。图3显示了其实施方法。

图3：CDS方法。

在这种方法中，控制器使用模拟复用器在恒压源、桥的输出端以及参考电压之间切换ADC的输入。

前面讨论的传统方法的一个弊端就是源和布线电阻引入了误差。该电阻在图3中标为Rs。桥输入端的有效驱动电压可以通过方程2计算。

方程 2

在CDS方法中，可以在桥附近驱动终端那接一个引线，就可以测量驱动电压。测量到的电压可以用于计算电阻值的变化。因为这不会受源电阻影响，其计算结果将会更加准确。

该方法的另一个明显优点是，它会自动补偿硬件本身电子线路产生的偏移。在这种架构中，复用器在桥输出和参考电压之间切换PGA输入。当PGA连接到参考电压源时获得的信号将是系统的偏移量。因此，当PGA连接到桥输出电压时，在每一次读数之前，系统可以计算出从ADC获得的信号的偏移，这个偏移可以在固件里除去的。除了偏移，系统产生的热噪声也可以消除。当测量信号精度是主要关注对象时，PGA的增益误差是另一个值得考虑的问题。增益误差可以在固件里通过简单的算法校准，具体如下：
增益误差校准:
输出电压为Y，给定的输入电压为X，
这里m是方程系数或系统增益，C是偏移。考虑到系统已经作了偏移补偿，因此方程可以变形为如下:

和

方程 4

1. 给PGA提供已知输入电压，测量PGA输出电压(Y1) ，使用ADC做电压源(X1)。
2. 增加电压并使用ADC再测一次，得到的电压为Y2和 X2。
3. 使用方程4计算“m”的值。
4. 使用方程5系统来计算系统的增益校正因素(GCF)。

方程 5

这里， GAINPGA 是系统里PGA配置的增益。

5. 把ADC输出与GCF相乘来纠正系统的增益误差。

电流源方法：这是另一种广泛用于测量微小的信号的方法。在这种方法中，用电流源来代替电压源驱动桥。该实现方式详见图4。

图4：电流源方法。

该方法最大的优点是布线电阻不会引入任何测量误差，这是因为分支的电流总是保持不变。

该方法的一个限制是电流源和实际值有所不同，因为器件和器件是不同的。不过，这个问题可以通过使用TIA校准IDAC来解决。为了实现这个功能，IDAC连接到TIA，TIA转化IDAC电流到相应的电压，见方程6。

方程 6

这里的K是TIA的增益。

测量TIA输出，除以TIA增益就得到了用于驱动桥的IDAC值。

这种方法的偏移和增益校准和前面段落里讲的一样。

这篇**介绍了精确测量微小信号的各种方法。这些方法也适用于使用RTD或热电偶的温度测量。

作者：Pushek Madaan，赛普拉斯半导体